頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)壓裂用井口裝置的安全使用研究

雷廣財(cái)，杜志勇，王劍飛

（中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機(jī)械制造分公司，遼寧盤(pán)錦 124000）

0 引言

頁(yè)巖氣勘探工作內(nèi)容復(fù)雜，主要包括：井筒和井口閘門(mén)試壓；復(fù)雜情況下試擠和洗井等壓裂作業(yè)；等孔徑均衡射孔彈、液壓坐封工具、橋塞泵送和配合微地震導(dǎo)爆作業(yè)等電纜作業(yè)；連油通井、連油射孔、探鉆塞、處理井下復(fù)雜、壓裂期間連油待命等連續(xù)油管作業(yè)；壓裂期間地面流程配合和壓后排液測(cè)試等試油配合及試氣作業(yè)。頁(yè)巖氣在鉆井、試氣以及井下作業(yè)所用到的采氣樹(shù)、油管頭、套管頭等種類(lèi)較多，且更新?lián)Q代頻繁。開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣工作十分重要且具有危險(xiǎn)性，所以各種裝置一定要非常專(zhuān)業(yè)、標(biāo)準(zhǔn)。但是實(shí)際上裝備制造商供應(yīng)商目前無(wú)法做到統(tǒng)一，也就無(wú)法保障頁(yè)巖氣井口裝置安全的權(quán)威性。這不僅不利于頁(yè)巖氣長(zhǎng)期、大面積開(kāi)采，在壓裂過(guò)程中可能還會(huì)埋下許多隱患，阻礙安全生產(chǎn)的進(jìn)行。

1 基本要求

施工前，工作人員一定要制定好頁(yè)巖氣井壓裂施工設(shè)計(jì)，壓裂隊(duì)施工時(shí)一定要符合壓裂施工要求并讓相關(guān)方做好配合。頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)壓裂用井口裝置指的是安裝在油管頭之上的采氣井口裝置，油管頭是否結(jié)實(shí)可用，也在影響井口裝置的使用壽命。井口裝置的主要結(jié)構(gòu)有油管掛、蓋板法蘭、閥門(mén)及儀表、異形四通、雙法蘭短接和Y 形三通等，每個(gè)配套都非常關(guān)鍵，出廠合格才能組合出一個(gè)符合標(biāo)準(zhǔn)的井口裝置。套管頭也很重要，連接防噴器和套管，幫助連接采油氣井口通過(guò)達(dá)成懸掛效果來(lái)密封套管柱，所以工作人員要細(xì)心做好連接工作。

1.1 油管頭與油管的連接方法

油管接箍在油管懸掛器的里面，負(fù)責(zé)載重油管，油管懸掛器要支撐油管接箍，油管頭負(fù)責(zé)支撐油管懸掛器，兩者互為支撐。同時(shí)，有密封圈密封油管接箍與油管懸掛器。油管懸掛器與油管頭之間也需要密封，防止油管接箍轉(zhuǎn)動(dòng)或移位，影響油管懸掛器的穩(wěn)定。

安裝油管頭時(shí)，有的可以直接把管插進(jìn)去，有的不好插進(jìn)去，可以先試著用火燒一下管頭，但要注意不能燒過(guò)。安裝一定要正確，保證后續(xù)工作的順利開(kāi)展。

1.2 法蘭注塑與試壓操作

（1）套管頭。套管頭是套管和井口裝置之間的重要連接件。它的下端通過(guò)螺紋與表層套管相連，上端通過(guò)法蘭或卡箍與井口裝置或防噴器相連。套管頭有單級(jí)、雙級(jí)和三級(jí)套管頭3 種類(lèi)型，它必須滿足鉆井作業(yè)以及生產(chǎn)過(guò)程中的地層壓力控制要求。

（2）注塑。法蘭（Flange）又叫法蘭盤(pán)或凸緣盤(pán)，是使管子與管子相互連接的零件，連接于管端。管頭屬采油樹(shù)附件，作用是懸掛下入井中的油管、井下工具，密封油套環(huán)形空間；可以為下接套管頭、上接采油樹(shù)提供過(guò)渡；通過(guò)油管頭四通體上的兩個(gè)側(cè)口，完成注平衡液及洗井等作業(yè)。

（3）試壓。頁(yè)巖氣高壓試壓注脂兩用裝置，涉及石油機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，包括箱體和注脂槍筒。箱體旁設(shè)有一個(gè)儲(chǔ)液箱，箱體上設(shè)有試壓泵頭和壓力表，試壓泵頭上有壓力表及快速接頭和一個(gè)可加長(zhǎng)壓桿。注脂槍筒連接一個(gè)卸荷閥，注脂槍筒和試壓泵頭通過(guò)一高壓膠管連接，注脂槍筒內(nèi)還設(shè)有活塞，高壓膠管上還設(shè)有散熱裝置。本實(shí)用新型專(zhuān)利技術(shù)采用一體化設(shè)計(jì)，方便運(yùn)輸與使用，能有效防止零部件丟失。與常規(guī)的壓力表單用接頭連接相比，將壓力表安裝在試壓泵頭上試壓更加方便安全，且壓力可高達(dá)140 MPa。高壓膠管上設(shè)有散熱裝置，可以防止膠管老化破裂，提高裝置的使用壽命。

1.3 完井

完井方法可以采用橋塞/射孔聯(lián)作，優(yōu)勢(shì)是風(fēng)險(xiǎn)低、能承受高溫高壓，缺點(diǎn)是需要連續(xù)油管待命，等待時(shí)間長(zhǎng)。另外一種方法是采用滑套/封隔器，其優(yōu)點(diǎn)是井壁自然裂縫不受破壞，缺點(diǎn)是砂堵時(shí)難處理。

2 平板閥密封試驗(yàn)

2.1 密封機(jī)理

頁(yè)巖氣井采用的套管氣密封螺紋接頭，包括同軸的套管接箍和套管。它們的連接方式是：套管接箍套裝在套管外，二者螺紋配合；沿套管的軸向，套管接箍和套管的接觸部分為依次連接的第一接觸部分、第二接觸部分和第三接觸部分；第二接觸部分中，套管的外螺紋承載面和套管徑向之間的夾角為－3°，套管的外螺紋導(dǎo)向面和套管徑向之間的夾角為12°。

該接頭采用小負(fù)角度承載面來(lái)提高螺紋牙的抗拉伸性能，適于頁(yè)巖氣井長(zhǎng)距離水平及大狗腿度井眼套管下入過(guò)程的上提操作，適于我國(guó)頁(yè)巖氣藏埋藏較深的特點(diǎn)；螺紋牙型采用低正角度導(dǎo)向面，易于螺紋對(duì)扣、上扣，具有抗粘扣優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼顧了增加螺紋抗壓縮載荷的作用，適于頁(yè)巖氣井長(zhǎng)距離水平及大狗腿度井眼套管下入過(guò)程的下壓操作。

無(wú)論是第一接觸部分還是第二接觸部分，齒頂和齒底之間均設(shè)置有間隙，且導(dǎo)向面之間也設(shè)計(jì)有間隙，大的間隙能有效降低外螺紋牙載荷，減小螺紋牙變形量，提升抗粘扣性能。在第三節(jié)接觸部分中，根據(jù)裝配要求，套管接箍分為4 個(gè)部分，套管分為兩個(gè)部分，且各自相匹配，已形成不同的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)。弧面段和部分牙槽及過(guò)渡段之間均設(shè)置縫隙，且限定了部分牙槽和過(guò)渡段共同的長(zhǎng)度，方便儲(chǔ)存上扣螺紋脂，螺紋加工退刀，并提高了接箍危險(xiǎn)截面的承載面積?；∶娑魏湾F面段相接觸，形成緊密的密封結(jié)構(gòu)，提高密封性能，形成高斯分布密封接觸壓力，并使得密封接觸部位遠(yuǎn)離臺(tái)肩，降低上扣過(guò)程的機(jī)械碰傷風(fēng)險(xiǎn)，在復(fù)合載荷的作用下保持密封接觸壓力和寬度，提高頁(yè)巖氣井壓裂載荷循環(huán)及非均勻外擠、剪切載荷條件的水密封性能，滿足頁(yè)巖氣井生產(chǎn)階段的氣密封性能要求。采用低負(fù)角度臺(tái)肩，保證螺紋接頭機(jī)械性能，控制鼻端變形，并降低應(yīng)力集中，提高接頭抗壓縮性能，兼顧接頭密封穩(wěn)健性，便于上扣位置控制及提高抗過(guò)扭矩性能，易于清洗。

公扣齒頂大間隙結(jié)構(gòu)提高上扣順暢性，有效保護(hù)外螺紋螺牙。不完整螺紋牙槽有效保證密封部位螺紋脂合理分布，兼顧螺紋加工退刀，并提高接箍危險(xiǎn)截面面積?；∶妗F面金屬密封面實(shí)現(xiàn)高斯型接觸壓力分布，提高密封面抗粘扣性，降低上扣密封面機(jī)械損傷風(fēng)險(xiǎn)，并保證接頭在拉伸、彎曲及非均勻載荷狀態(tài)下的密封性能。低負(fù)角度臺(tái)肩加工便捷，有效控制螺紋鼻端變形，提高密封面密封穩(wěn)健性，提高抗過(guò)扭性能，便于螺紋清洗。接頭內(nèi)表面相平保證接頭部位管體內(nèi)部流體流態(tài)穩(wěn)定，提高抗沖蝕性能。另外，套管外螺紋與套管內(nèi)螺紋的管體對(duì)接口處設(shè)計(jì)有擴(kuò)張的錐面，與接箍?jī)?nèi)表面交界處平齊，提高接頭內(nèi)表面的抗流體沖蝕性能。

該特殊螺紋接頭可以適應(yīng)不同外徑、壁厚及鋼級(jí)的套管，采用數(shù)控機(jī)床加工，套管接箍的內(nèi)螺紋涂鍍層厚度控制在15～25 μm。上扣時(shí)兩端均勻涂抹通用套管螺紋脂，夾持螺紋靠近管體側(cè)和接箍靠近工廠端側(cè)，現(xiàn)場(chǎng)采用最佳控制扭矩上扣。

2.2 平板閥試壓

平板閘閥是燃?xì)夤艿澜陙?lái)才開(kāi)始使用的通用型閥門(mén)，全通徑時(shí)流阻小，兩邊的密封由聚四氟乙烯或橡膠O 形環(huán)壓緊在閘板上形成。在外加壓力F0的作用下，招牌的初壓縮量為對(duì)夾升降式止回閥。當(dāng)盲板受到內(nèi)壓作用時(shí)，招牌被放松回彈、壓縮量減小，放松到一定程度時(shí)會(huì)出現(xiàn)泄漏，在密封曲線上這一點(diǎn)即為密封所需的最小壓緊力。在生產(chǎn)過(guò)程中，只要旋啟式止回閥合理選擇了密封墊，在盲板剛性良好的情況下很容易滿足密封的最小壓緊力。有的嚴(yán)格試壓可能需要耗時(shí)15 d，試壓能否成功關(guān)乎頁(yè)巖氣的開(kāi)采工作，也與工作人員的安全息息相關(guān)。

3 頁(yè)巖氣開(kāi)采壓裂中需要的考慮問(wèn)題

3.1 體積壓裂

隨著頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程的加深，深層復(fù)雜頁(yè)巖氣出現(xiàn)的概率越來(lái)越大。所謂“復(fù)雜頁(yè)巖氣”是指巖性上碳酸鹽巖的含量超過(guò)20%，構(gòu)造上伴隨大量水平層理縫、紋理縫以及高角度天然裂縫（填充或未填充）的頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層，其復(fù)雜性容易導(dǎo)致壓裂裂縫的縫高失控，進(jìn)而主裂縫凈壓力大幅降低，難以實(shí)現(xiàn)體積壓裂的目標(biāo)。此外，水平層理縫/紋理縫的溝通與延伸困難，裂縫的橫向波及體積大幅受限。在三向應(yīng)力特征上，受構(gòu)造應(yīng)力擠壓作用，最小水平主應(yīng)力可能出現(xiàn)與垂向應(yīng)力接近的情況，此時(shí)初始裂縫起裂和擴(kuò)展依然是垂直裂縫，但隨著裂縫寬度的不斷增加，主裂縫凈壓力不斷增加，主裂縫附近的誘導(dǎo)應(yīng)力也逐漸增加，當(dāng)誘導(dǎo)應(yīng)力超過(guò)垂向應(yīng)力與原始最小水平應(yīng)力的差值之后，可能在裂縫擴(kuò)展的中后期出現(xiàn)T 形裂縫的情況，即同時(shí)出現(xiàn)垂直裂縫和水平裂縫。由于垂向上頁(yè)巖的厚度尤其是優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖的厚度只有幾十米，垂向應(yīng)力在縫高方向上相差不大。一旦出現(xiàn)T形裂縫，則水平裂縫可能是多層的，出現(xiàn)多個(gè)層理縫/紋理縫同時(shí)張開(kāi)的情況，這樣各種裂縫的寬度都會(huì)相應(yīng)下降，出現(xiàn)壓裂砂堵塞的風(fēng)險(xiǎn)極高，因此需要降低施工風(fēng)險(xiǎn)，以確保壓裂成功。

3.2 合理選擇壓裂液

根據(jù)含氣頁(yè)巖礦物質(zhì)含量的不同，頁(yè)巖氣井壓裂使用的壓裂液主要有氮?dú)馀菽?、凝膠和添加適當(dāng)減阻劑、殺菌劑等化學(xué)藥劑的水基壓裂液。一般情況下碳酸鹽含量較高的頁(yè)巖選擇水基壓裂液，黏土含量較高的頁(yè)巖選擇水基壓裂液和凝膠混合壓裂方式。在壓裂后排液過(guò)程中，壓裂液的返排參數(shù)對(duì)于壓裂效果影響較大，因此在選擇壓裂液時(shí)應(yīng)對(duì)其成分、配方、有效期等進(jìn)行分析。

3.3 清水耗費(fèi)多

清水壓裂技術(shù)是指在清水中添加很少量的減阻劑、黏土穩(wěn)定劑和表面活性劑，作為壓裂液進(jìn)行壓裂的技術(shù)。在實(shí)際操作中，清水的使用占比較高，流失也較多，所以清水的使用量較大，會(huì)造成水浪費(fèi)情況。在一些偏僻地方的頁(yè)巖氣開(kāi)采本身運(yùn)水難度較大，這會(huì)增加人力和時(shí)間成本增加。操作工人也需要對(duì)各種殘留的液體進(jìn)行回收處理，增加資源的使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)很多鄉(xiāng)鎮(zhèn)已經(jīng)陸續(xù)使用上清潔的天然氣資源，人們生活質(zhì)量大大提高。為了讓人們持續(xù)使用這種綠色資源，這給頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)工作提出了新的要求。

頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)能否順利進(jìn)行，與工作人員的精細(xì)工作密切相關(guān)。例如，油管頭和套管頭的安裝與調(diào)試工作，對(duì)于井口裝置安全的保障起著關(guān)鍵作用，所以一定要選擇合適的組合，合理使用橡膠和金屬，并觀察注塑是否符合標(biāo)準(zhǔn)，這就要求工作人員一定要細(xì)心。

壓裂用井口裝置由不同小的設(shè)備組成，整個(gè)裝備的安全依賴(lài)每個(gè)小零件的正常安全生產(chǎn)與安裝。工作人員可以在井口附近搭建集裝箱制小屋，定期派人檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行情況。對(duì)井口裝備定期做好保養(yǎng)和維修，同時(shí)做好電子版記錄，便于信息的互通。非工作人員要遠(yuǎn)離井口與開(kāi)發(fā)區(qū)域，避免因失誤操作造成資源的破壞或給自身造成損失。